10.巖土工程勘察-第十章-地下洞室的勘察與評價(jià)-王亞軍

巖土工程勘察第10章地下洞室的勘察與評價(jià)GeotechnicalInvestigation2§10.1初始應(yīng)力、圍巖應(yīng)力和山巖應(yīng)力§10.2圍巖的變形和破壞形式§10.3圍巖分類§10.4地下洞室穩(wěn)定性評價(jià)§10.5地下洞室位址和方向的選擇§10.6地下采空區(qū)§10.7地下洞室的勘察要點(diǎn)第10章地下洞室的勘察與評價(jià)地下洞室：埋置于地下巖土體內(nèi)的各種構(gòu)筑物。應(yīng)用：鐵路和公路隧道，礦山地下巷道，國防地下倉庫、指揮中心，城市地鐵、地下商場、地下體育館、地下游泳池等。第10章地下洞室的勘察與評價(jià)錦屏二級水電站超長引水隧洞地下洞室的開挖引起的問題：應(yīng)力狀態(tài)的變化會引起不同程度的變形甚至破壞，地下洞室圍巖的變形對周圍環(huán)境的影響。因此在設(shè)計(jì)前，進(jìn)行詳細(xì)的巖土工程勘察提供設(shè)計(jì)所需的地質(zhì)資料，掌握地下洞室所在巖體、土體的地質(zhì)情況和穩(wěn)定程度以及周圍的環(huán)境情況，有十分重要的意義?！?0.1初始應(yīng)力、圍巖應(yīng)力和山巖應(yīng)力初始應(yīng)力：地下洞室施工前就已經(jīng)存在于巖體中的應(yīng)力稱。圍巖：應(yīng)力重分布所波及的巖石。圍巖應(yīng)力：圍巖中重新分布后的地應(yīng)力。山巖壓力：圍巖作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力。

初始應(yīng)力是山巖壓力的基礎(chǔ)，是力的來源。圍巖應(yīng)力既取決于初始應(yīng)力，又取決于洞體的形態(tài)、規(guī)模以及巖體的結(jié)構(gòu)與特性。山巖壓力來自圍巖壓力，但圍巖應(yīng)力要轉(zhuǎn)化為山巖壓力，必須通過巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的變形、破壞來實(shí)現(xiàn)。圍巖應(yīng)力與巖體特性的矛盾決定了山巖壓力的大小和特征。10.1.1初始應(yīng)力巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的，要受到地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地形地貌等多種因素的影響。初始應(yīng)力可以劃分為自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。（1）自重應(yīng)力

大量的實(shí)測地應(yīng)力資料表明，對于未經(jīng)受構(gòu)造作用，產(chǎn)狀較為平緩的巖層，其應(yīng)力狀態(tài)十分接近于由彈性理論所確定的應(yīng)力狀態(tài)。巖石泊松比：0.2~0.3。

（2）構(gòu)造應(yīng)力

由于巖石圈的構(gòu)造運(yùn)動，不僅在巖休中產(chǎn)生各種變形形跡，而且還在巖體中引起一定的構(gòu)造殘余應(yīng)力。在構(gòu)造活動帶，不同板塊拼合帶以及平原與山區(qū)交匯部位等地區(qū)都是構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)，這些地區(qū)由于構(gòu)造應(yīng)力的影響形成高水平地應(yīng)力區(qū)，對地下工程造成危害。比如地下施工中巾于高應(yīng)力的突然釋放形成的巖爆以及隧道偏壓引起的工程事故。由于構(gòu)造變形及構(gòu)造應(yīng)力作用方式人們是無法見到其實(shí)際發(fā)生過程、這給研究構(gòu)造應(yīng)力帶來較大困難。確定構(gòu)造應(yīng)力的主要手段還是進(jìn)行實(shí)測，并結(jié)合構(gòu)造變形的形跡加以分析。10.1.2圍巖應(yīng)力1.三種初始應(yīng)力場距地表較淺的巖體且存在大量地表裂隙的情況。在沒有經(jīng)受構(gòu)造運(yùn)動影響的巖體中，由巖體自重形成的初始應(yīng)力場。且側(cè)壓力系數(shù)

沒有經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動作用的較深部巖體。很深的巖體圍巖應(yīng)力計(jì)算簡圖2.圓形洞室采用彈性力學(xué)中有孔板在周圍外荷載作用下的公式：式中沒有彈性模量和泊松比，包含。洞室邊界附近切向應(yīng)力產(chǎn)生集中現(xiàn)象3.其他洞室地下洞室由于其用途不同，常常根據(jù)需要挖成不同的形狀，在非圓形洞空的轉(zhuǎn)角部位常常會出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于對洞室圍巖穩(wěn)定性起決定作用的是切向應(yīng)力，且圍巖中最大切向應(yīng)力發(fā)生在洞壁邊界上，因此在洞室的穩(wěn)定性計(jì)算中，經(jīng)常要計(jì)算洞室邊界處的切向應(yīng)力。另外非圓形洞室的圍巖應(yīng)力計(jì)算復(fù)雜，為便于應(yīng)用，根據(jù)各種洞形的計(jì)算結(jié)果，直接繪制這些洞形邊界上的最大切向應(yīng)力與寬高比的關(guān)系。10.1.3山巖壓力

一般地，由于巖體隧洞內(nèi)的變形作用于支護(hù)或襯砌上的壓力稱為變形壓力，巖體因破壞而松動作用于支護(hù)或襯砌上的壓力稱為松動壓力。1.壓力拱理論

工程實(shí)踐和模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，洞頂坍落并不是沒有止境的，當(dāng)坍落進(jìn)行到一定程度后，由巖塊組成的上部圍巖體可以處于新的平衡狀態(tài)，稱為自然平衡拱（壓力拱）。而實(shí)際地下洞室的施工并不等待自然平衡拱形成后才澆筑襯砌，所以作用于襯砌上的垂直山巖壓力就可以認(rèn)為是壓力拱與襯砌之間巖石的重量。這樣正確決定壓力拱的形狀就成為計(jì)算山巖壓力的關(guān)鍵。

通常采用普羅托奇耶可諾夫的壓力拱理論，簡稱為普氏壓力拱理論。該理論將洞室周圍的巖石看作是沒有黏聚力的散粒體，計(jì)算出洞室上方任何一點(diǎn)的垂直壓力為：

側(cè)向山巖壓力采用朗肯土壓力公式計(jì)算，兩側(cè)的山巖壓力呈梯形分布1o

砂土及松散材料2o

整體性巖石巖石堅(jiān)固性系數(shù)

根據(jù)普氏理論，---比較破碎巖體（fK＜2），地下洞室開挖：

側(cè)墻：剪切破裂+頂拱“壓力拱”.

壓力拱穩(wěn)定條件：假定巖體為散粒體，其抗拉、抗彎能力很小，洞室頂部上的壓力拱最穩(wěn)定的條件是沿著拱的切線方向僅作用壓力。拋物線方程

壓力拱理論要求洞室上方的巖石能夠形成自然平衡拱，因此要求洞室上方有足夠厚度且相當(dāng)穩(wěn)定的巖體，對于洞室埋藏淺、圍巖為粉砂或飽和軟黏土等情況不能應(yīng)用壓力拱理論。2.彈塑性理論以彈塑性理論為基礎(chǔ)研究圍巖的應(yīng)力和穩(wěn)定情況以及山巖壓力。洞室開挖后，圍巖中的應(yīng)力重新分布，結(jié)果導(dǎo)致洞壁處的切向應(yīng)力增加，而徑向應(yīng)力減小。當(dāng)洞壁處的切向應(yīng)力增大到一定數(shù)值時(shí)，洞壁巖石就進(jìn)入塑性平衡狀態(tài)，產(chǎn)生朔性變形，進(jìn)而產(chǎn)生破壞。洞室周邊破壞后該處圍巖的應(yīng)力降低，巖體向洞內(nèi)產(chǎn)生塑性松脹。這種朔性松脹的結(jié)果，使得原來洞壁附近巖石承受的應(yīng)力的一部分轉(zhuǎn)移給鄰近的巖體，因而鄰近的巖體也產(chǎn)生朔性變形，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，塑性變形的范圍會向深部逐漸擴(kuò)展。由于這種塑性變形的結(jié)果，在洞室周圍形成一個圈，稱為塑性松動圈。圍巖內(nèi)的彈塑性應(yīng)力分布

洞室開挖后，隨著塑性松動圈的擴(kuò)展，對支護(hù)產(chǎn)生的壓力用下式計(jì)算：芬那公式（未考慮巖石自重）卡柯公式（考慮巖石自重）3.地質(zhì)分析法

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，有些情況無法應(yīng)用現(xiàn)有的理論公式來進(jìn)行計(jì)算，而可以采用地質(zhì)分析法。其關(guān)鍵在于判明巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和組合關(guān)系，確定分離體的形狀和高度，然后分析滑動力和抗滑力之間的平衡關(guān)系，計(jì)算圍壓。§10.2圍巖的變形和破壞形式

巖體的變形、破壞機(jī)制在不同性質(zhì)類型的巖體中是不同的，因此，工程設(shè)計(jì)和施工應(yīng)當(dāng)對不同的破壞形式進(jìn)行討論。表10-2列出了巖體常見的變形、破壞形式及其特征。巖土工程勘察巖體的破壞形式表10.2.1脆性破壞

整體狀結(jié)構(gòu)及塊狀結(jié)構(gòu)巖體，在一般開挖條件下表現(xiàn)穩(wěn)定，僅產(chǎn)生局部掉塊，但在高應(yīng)力地區(qū)，洞周應(yīng)力集中可引起巖爆，屬于脆性破壞，巖石成為碎片射出可發(fā)出破裂響聲。10.2.2塊體運(yùn)動

當(dāng)塊狀或?qū)訝顜r體受明顯的少數(shù)軟弱結(jié)構(gòu)面切割，形成塊體或數(shù)量有限的塊體時(shí)，這種塊體和圍巖的聯(lián)系很弱，在自重力和圍巖應(yīng)力的作用下有向臨空面運(yùn)動的趨勢，逐漸形成塊體運(yùn)動失穩(wěn)方式：塊體塌落、滑動和轉(zhuǎn)動、傾倒以及塊體擠出等10.2.3彎曲折斷破壞

彎曲折斷破壞是層狀，尤其是夾軟弱夾層的互層巖體所特有的，但是在大型地下工程中受一組很發(fā)育的結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成的似層狀巖體也可產(chǎn)生類似的條塊狀的折斷和倒塌。

洞體圍巖是泥盆系石英砂巖及板巖互層，產(chǎn)狀平緩，洞形為城門洞形。開挖中拱腳以上塌落，形成超挖，成為平板頂，洞體變?yōu)樘菪螖嗝?。巷?/p>

洞頂?shù)膸r層受到力作用下沉彎曲，進(jìn)而開裂、折斷，形成塌落體；側(cè)墻可能發(fā)生彎曲傾倒破壞或彎曲鼓出破壞。10.2.4松動解脫碎裂結(jié)構(gòu)巖體在泥質(zhì)軟弱結(jié)構(gòu)面含量較少的情況下有一定的承載壓力的能力，但是在張力、單軸壓力及振動力作用下容易松動，解脫成為碎塊散開或脫落。工程中洞頂表現(xiàn)為崩塌，而在邊墻則為碎塊滑塌、坍塌。比如壓碎巖帶，如果擠壓很緊，而且有的膠結(jié)良好，無泥質(zhì)物充填，施工起來很是順利。相反，如果節(jié)理裂隙間有較多泥質(zhì)充填，裂隙張開，巖石松動，則塌方的可能性就比較大，尤其是在地下水及震動力作用下較易失穩(wěn)。10.2.5塑性變形和剪切破壞

松散結(jié)構(gòu)巖體或碎裂結(jié)構(gòu)巖體中含軟弱結(jié)構(gòu)面較多的情況下，在開挖臨空及圍巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形及剪切破壞，往往表現(xiàn)為塌方、邊墻擠入洞內(nèi)、底鼓以及洞體收縮等?！?0.3圍巖分類圍巖分級的目的是：①作為選擇施工方法的依據(jù)；②進(jìn)行科學(xué)管理及正確評價(jià)經(jīng)濟(jì)效益；③確定結(jié)構(gòu)上的荷載(松散荷載)；④給出襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸；⑤制定勞動定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)等等。10.3.1圍巖分級《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》采用定性與定量相結(jié)合的方法，分兩步確定巖體級別，先確定巖體基本質(zhì)量，再結(jié)合具體工程特點(diǎn)確定巖體級別。10.3.2巖體分級1.定性分析定性分析中巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整性兩個因素來確定。巖石堅(jiān)硬程度的定性劃分表3.2.1

名稱定性鑒定代表性巖石硬質(zhì)巖堅(jiān)硬巖錘擊聲清脆，有回彈，震手，難擊碎；浸水后，大多無吸水反應(yīng)末風(fēng)化～微風(fēng)化的；花崗巖、正長巖、閃長巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖、片麻巖、石英片巖、硅質(zhì)板巖、石英巖、硅質(zhì)膠結(jié)的礫巖、石英砂巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等較堅(jiān)硬巖錘擊聲較清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎；浸水后，有輕微吸水反應(yīng)1.弱風(fēng)化的堅(jiān)硬巖；2.未風(fēng)化～微風(fēng)化的：熔結(jié)凝灰?guī)r、大理巖、板巖、白云巖、石灰?guī)r、鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖等軟質(zhì)巖較軟巖錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎；浸水后，指甲可刻出印痕1.強(qiáng)風(fēng)化的堅(jiān)硬巖；2.弱風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖；3.未風(fēng)化～微風(fēng)化的：凝灰?guī)r、千枚巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、頁巖等軟巖錘擊聲啞，無回彈，有凹痕，易擊碎；浸水后，手可掰開1.強(qiáng)風(fēng)化的堅(jiān)硬巖；2.弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖；3.弱風(fēng)化的較軟巖；4.未風(fēng)化的泥巖等極軟巖錘擊聲啞，無回彈，有較深凹痕，手可捏碎；浸水后，可捏成團(tuán)1.全風(fēng)化的各種巖石；2.各種半成巖

巖石風(fēng)化程度的劃分表10-6名稱風(fēng)化特征未風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造未變，巖質(zhì)新鮮微風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物色澤基本未變，部分裂隙面有鐵錳質(zhì)渲染弱風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造部分破壞，礦物色澤較明顯變化，裂隙面出現(xiàn)風(fēng)化礦物或存在風(fēng)化夾層強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，礦物色澤明顯變化，長石、云母等多風(fēng)化成次生礦物全風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造全部破壞，礦物成分除石英外，大部分風(fēng)化成土狀

巖體完整程度的定性劃分表10-7名稱結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度主要結(jié)構(gòu)面類型相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型組數(shù)平均間距(m)完整1～2＞1.0結(jié)合好或結(jié)合一般節(jié)理、裂隙、層面整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)較完整1～2＞1.0結(jié)合差節(jié)理、裂隙、層面塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)2～31.0～0.4結(jié)合好或結(jié)合一般塊狀結(jié)構(gòu)較破碎2～31.0～0.4結(jié)合差節(jié)理、裂隙、層面、小斷層裂隙塊狀或中厚層狀結(jié)構(gòu)≥30.4～0.2結(jié)合好鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)結(jié)合一般中、薄層狀結(jié)構(gòu)破碎≥30.4～0.2結(jié)合差各種類型結(jié)構(gòu)面裂隙塊狀結(jié)構(gòu)≤0.2結(jié)合一般或結(jié)合差碎裂結(jié)構(gòu)極破碎無序結(jié)合很差散體狀結(jié)構(gòu)注：平均間距指主要結(jié)構(gòu)面（1～2組）間距的平均值。結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度的劃分表10-8名稱結(jié)構(gòu)面特征結(jié)合好張開度小于1mm，無充填物；結(jié)合好張開度1～3mm，為硅質(zhì)或鐵質(zhì)膠結(jié)；張開度大于3mm，結(jié)構(gòu)面粗糙，為硅質(zhì)膠結(jié)結(jié)合一般張開度1～3mm，為鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)；張開度大于3mm，結(jié)構(gòu)面粗糙，為鐵質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)結(jié)合差張開度1～3mm，結(jié)構(gòu)面平直，為泥質(zhì)或泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)；張開度大于3mm，多為泥質(zhì)或巖屑充填結(jié)合很差泥質(zhì)充填或泥夾巖屑充填，充填物厚度大于起伏差2.定量指標(biāo)及兩者的對應(yīng)關(guān)系

巖石堅(jiān)硬程度的定量指標(biāo)，應(yīng)采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度

Rc，Rc應(yīng)采用實(shí)用測值。當(dāng)無條件取得實(shí)測值時(shí)，也可采用實(shí)測的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)IS（50）的算值，并按下式換算：RC與定性劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對應(yīng)關(guān)系表10-9Rc（MPa）＞6060～3030～1515～5＜5堅(jiān)硬程度堅(jiān)硬巖較堅(jiān)硬巖較軟巖軟巖極軟巖

巖體完整程度的定量指標(biāo)，應(yīng)采用巖體完整性指數(shù)

Kv

，Kv

應(yīng)采用實(shí)測值。當(dāng)無條件取得實(shí)測值時(shí)，也可用巖體體積節(jié)理數(shù)

Jv

，按表3.4.3確定對應(yīng)的Kv

值。Jv與Kv對照表表10-4Jv（條／m3）＜33～1010～2020～35＞35Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.15Kv與定性劃分的巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系表10-10Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎3.確定基本質(zhì)量等級

巖體基本質(zhì)量分級，應(yīng)根據(jù)巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）兩者相結(jié)合，按表10-11確定。巖體基本質(zhì)量分級表10-11基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)Ⅰ堅(jiān)硬巖，巖體完整＞550Ⅱ堅(jiān)硬巖，巖體較完整；較堅(jiān)硬巖，巖體完整550～451Ⅲ堅(jiān)硬巖，巖體較破碎；較堅(jiān)硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整450～351Ⅳ堅(jiān)硬巖，巖體破碎；較堅(jiān)硬巖，巖體較破碎～破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整～較破碎；軟巖，巖體完整～較完整350～251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎～破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖≤250

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ），應(yīng)根據(jù)分級因素的定量指標(biāo)Rc的兆帕數(shù)值和Kv，按下式計(jì)算：

BQ＝90＋3Rc＋250Kv注：使用上式時(shí)，應(yīng)遵守下列限制條件：①當(dāng)Rc＞90Kv＋30時(shí)，應(yīng)以Rc＝90Kv＋30和Kv代入計(jì)算BQ值。②當(dāng)Kv＞0.04Rc＋0.4時(shí)，應(yīng)以Kv＝0.04Rc＋0.4和Rc代入計(jì)算BQ值。4.修正

當(dāng)存在地下水、圍巖處于高初始應(yīng)力狀態(tài)及巖體穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響且由一組起控制作用時(shí)，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)按下式進(jìn)行修正：[BQ]＝BQ－100（K1＋K2＋K3）

式中[BQ]-巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；

BQ-巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；

K1-地下水影響修正系數(shù)；

K2-主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3-初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。其中K1、K2、K3值，可分別按表D.0.1-1、D.0.1-2、D.0.1－3確定。無表中所列表情況時(shí)，修正系數(shù)取零。[BQ]出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，應(yīng)按特殊問題處理。地下水影響修正系數(shù)K1

表10-12＞450450～351350～251≤250潮濕或點(diǎn)滴狀出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊畨骸?.1MPa或單位出水量≤10L／min·m0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，水壓?.1MPa或單位出水量＞10L／min·m0.20.4～0.60.7～0.91.0BQK1地下水出水狀態(tài)BQK1BQK1BQ地下水出水狀態(tài)K1BQ結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角＜30o結(jié)構(gòu)面傾角30o～75o結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角＞60o結(jié)構(gòu)面傾角＞75o其它組合K2

0.4～0.60～0.20.2～0.4主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2

表10-13初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3表10-14＞550550～451450～351350～251≤250極高應(yīng)力區(qū)1.01.01.0～1.51.0～1.51.0高應(yīng)力區(qū)0.50.50.50.5～1.00.5～1.0初始應(yīng)力狀態(tài)K3BQ

確定了巖體級別后，可根據(jù)巖體級別評價(jià)巖體的物理力學(xué)參數(shù)和圍巖自穩(wěn)能力。巖體物理力學(xué)參數(shù)表10-15巖體基本質(zhì)量級別重力密度γ（kN/m3）抗剪斷峰值強(qiáng)度變形模量E（GPa）泊松比υ內(nèi)摩擦角φ（o）粘聚力C（MPa）Ⅰ＞26.5＞60＞2.1＞33＜0.2Ⅱ60～502.1～1.533～200.2～0.25Ⅲ26.5～24.550～391.5～0.720～60.25～0.3Ⅳ24.5～22.539～270.7～0.26～1.30.3～0.35Ⅴ＜22.5＜27＜0.2＜1.3＞0.35地下工程巖體自穩(wěn)能力表10-16巖體級別自穩(wěn)能力Ⅰ跨度≤20m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ跨度10～20m，可基本穩(wěn)定，局部可發(fā)生掉塊或小塌方；跨度＜10m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊Ⅲ跨度10～20m，可穩(wěn)定數(shù)日～1月，可發(fā)生小～中塌方；距度5～10m，可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體位移及小～中塌方；跨度＜5m，可基本穩(wěn)定Ⅳ跨度＞5m，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日～數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形、小塌方，進(jìn)而發(fā)展為中～大塌方。埋深小時(shí)，以拱部松動破壞為主，埋深大時(shí)，有明顯塑性流動變形和擠壓破壞；跨度≤5m，可穩(wěn)定數(shù)日～1月Ⅴ無自穩(wěn)能力注：①小塌方：塌方高度＜3m，或塌方體積＜30m3；②中塌方：塌方高度3～6m，或塌方體積30～100m3；③大塌方：塌方高度＞6m，或塌方體積＞100m3。

公路隧道圍巖分級《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70－2004)注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級，如膨脹性圍巖、凍土等。注：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖，當(dāng)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于本表規(guī)定時(shí)，圍巖類別降低一級。

水工隧洞圍巖工程地質(zhì)分類

圍巖總評分T是5項(xiàng)因素的評分之和。巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀這5項(xiàng)因素的評分都有一定的評分標(biāo)準(zhǔn)?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）10.3.3RMR分類

比尼奧斯基（Z.T.Bieniawski）根據(jù)南非礦山開采經(jīng)驗(yàn)提出的通過對巖體質(zhì)量進(jìn)行評分，來對巖體工程分類，分為兩步：第一步，根據(jù)表按照完整巖石強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理的間距、狀態(tài)以及地下水狀況5個方面內(nèi)容逐一鑒定，給出評分，然后將5個單項(xiàng)因素的分?jǐn)?shù)累加起來得到初值RMR。

用直徑為75mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)，連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長度大于10cm的巖芯段長度之和與該回次進(jìn)尺的比值，以百分比表示。RockQualityDesignation類別RQD(%)巖石質(zhì)量190~100好275~90較好350~75一般425~50差5<25很差RMR巖體工程分類參數(shù)及評分標(biāo)準(zhǔn)表

第二步，修正：根據(jù)節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀，按表對RMR值進(jìn)行修正。RMR

修正評分值RMR

巖體工程分類表

經(jīng)過修正后的巖體總評分就是巖體質(zhì)量綜合評判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這個值將巖體分為5類。10.3.4Q分類

挪威學(xué)者Barton等于1974年提出的Q值評分方法，主要考慮了巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、節(jié)理組數(shù)目(Jn)

、節(jié)理粗糙度數(shù)值(Jr)

、節(jié)理蛻化系數(shù)(Ja)

、節(jié)理含水折減系數(shù)(Jw)以及應(yīng)力折減系數(shù)(SRF)個參數(shù)，由下式確定巖體質(zhì)量

巖體質(zhì)量Q的變化范圍從0.001~1000，相當(dāng)于從嚴(yán)重破碎的糜棱巖化巖體到完整堅(jiān)硬的巖體，根據(jù)Q值將巖體質(zhì)量分為9類。巖體質(zhì)量分類10.3.5RSR分類由地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理特征及地下水3個參數(shù)構(gòu)成。RSR=A+B+C

10.4.1強(qiáng)度應(yīng)力比方法

強(qiáng)度應(yīng)力比方法就是采用彈性理論的分析，通過重點(diǎn)考察洞室圍巖周邊關(guān)鍵點(diǎn)上的應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度的比值，來評價(jià)洞室圍巖穩(wěn)定性的方法。

這種方法主要用來評價(jià)裂隙不發(fā)育的、較為完整的圍巖。§10.4地下洞室穩(wěn)定性評價(jià)

在實(shí)際工作中，圍巖中的應(yīng)力值以及巖體的強(qiáng)度都要受到多種因素的影響，變化較大，因此在評定圍巖的穩(wěn)定性時(shí)，需考慮較大的安全系數(shù)。

因而可采用圍巖巖體強(qiáng)度R

與周邊切向應(yīng)力的比值來評價(jià)洞室圍巖的穩(wěn)定性。洞室周邊關(guān)鍵點(diǎn)的切向應(yīng)力可以由下式變換得到：1.圓形洞室從右邊墻中心逆時(shí)針計(jì)算2.非圓形洞室關(guān)鍵點(diǎn)（洞室頂點(diǎn)和邊墻中點(diǎn)）切向應(yīng)力用下式表示：頂點(diǎn)邊墻中點(diǎn)

系數(shù)取值表40.4.2塊體平衡理論

對于在洞室圍巖中被結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體，由于洞室開挖，有可能產(chǎn)生滑移或墜落的變形破壞，這類塊體在洞室圍巖中的穩(wěn)定性可以在對結(jié)構(gòu)面的特征研究的基礎(chǔ)上，采用塊體平衡理論來進(jìn)行分析。拱頂塊體穩(wěn)定性分析邊墻塊體穩(wěn)定分析洞室頂壁水平薄層狀巖體逐步塌落過程示意圖01.4.3水平層狀圍巖的穩(wěn)定性

位于洞室頂部之上的水平層狀巖體可以看作為兩端固定的水平梁，梁的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于兩端的頂面處，用下式表示：水平地應(yīng)力為安全起見，可以假定為零。10.4.4圖解法10.4.5數(shù)值解法下面以平面有限元為主按分析步驟進(jìn)行簡單討論：1、確定計(jì)算范圍

理論分析表明：在3倍洞徑范圍之外小于5%，5倍洞徑之外約小于1%。2、網(wǎng)格剖分3、邊界條件和初始應(yīng)力場4、施工過程的模擬（開挖、澆筑、噴錨支護(hù)等）5、巖體材料模型的選擇6、相關(guān)的幾個問題（橫觀各項(xiàng)同性，節(jié)理單元，無拉應(yīng)力分析等）網(wǎng)格剖分邊界條件§10.5地下洞室位址和方向的選擇

地下洞室的選址必須考慮一系列因素，工程地質(zhì)條件是主要依據(jù)。對于一般的地下洞室來說，選址的主要依據(jù)是巖體的穩(wěn)定，圍繞巖體的穩(wěn)定，其基本的要求如下。10.5.1地形條件的選擇

地形上要求山形完整，洞室周圍包括洞頂及傍山一側(cè)應(yīng)有足夠厚度，要求洞頂上方留有足夠厚度的新鮮巖層，其厚度可以在節(jié)理裂隙面上產(chǎn)生足夠的正壓力，以便拱頂可以自承。避免地形條件不良給施工造成困難以及洪水期間地表溝谷中的水倒流灌入地下洞室；盡量避免埋深過大，造成深部的高地應(yīng)力作用。10.5.2巖性條件選擇

巖性條件應(yīng)選擇比較堅(jiān)硬、完整，力學(xué)性能較好且風(fēng)化輕微的巖體，特別注意巖體強(qiáng)度的選擇。有軟弱薄層狀圍巖，應(yīng)盡量繞避。對于易于軟化、泥化和溶蝕的巖體及膨脹性和塑性巖體，也不利于圍巖穩(wěn)定。層狀巖體則以厚層結(jié)構(gòu)為好，遇軟硬及厚薄相間的巖體，則應(yīng)盡量將洞室頂板置于厚層堅(jiān)硬巖體中。同一巖體內(nèi)的壓性斷裂，往往上盤比較破碎，而下盤比較完整，應(yīng)將洞室置于下盤巖體中。10.5.3地質(zhì)構(gòu)造條件的選擇

地質(zhì)構(gòu)造上，應(yīng)選擇斷裂少且規(guī)模較小及巖體結(jié)構(gòu)比較簡單的地區(qū)。較大的斷層破碎帶、裂隙密集帶等軟弱帶，一般應(yīng)盡量避開，若實(shí)在不能繞避，則應(yīng)以最短距離穿過構(gòu)造帶，盡量使地下洞室軸向與其走向呈45o~60o夾角為宜。1.單斜巖層（1）當(dāng)隧道軸向與巖層走向平行時(shí)：傾斜巖層中a-在同一地層中；b-不同巖層交界處；c-軟弱夾層處

應(yīng)注意避開巖層間連接較差的部位，并限制一次開挖的長度，以避免產(chǎn)生塌方事故。（2）直立巖層

若巖層很薄，層間連接較弱或具有軟弱結(jié)構(gòu)面的情況，常由于隧道拱頂?shù)睦瓚?yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破壞、坍塌的現(xiàn)象。（3）在水平巖層（傾角小于10o）2.當(dāng)隧道軸向垂直巖層走向時(shí)，各巖層受力條件有利，圍巖壓力也均布，開挖后易于成拱不塌。巖層傾角大時(shí)，各巖層不需要依靠相互間的摩擦力及粘聚力就可以完全穩(wěn)定。若巖層傾角較緩、層厚較薄或夾有軟弱層，在有垂直或斜交層面隙裂的情況下，則隧道拱頂容易產(chǎn)生局部塌落的現(xiàn)象。褶曲地帶隧道位置的選擇3.褶曲地帶4.斷層地帶存在問題：A

斷裂面處有較大的剪應(yīng)力B

常伴有繼承性的新構(gòu)造運(yùn)動及強(qiáng)烈地震活動C

斷裂處巖層被擠壓破碎，多成塊石、碎石角礫及斷層泥，因而巖體強(qiáng)度低D

斷層往往是地下水活動的通道和儲存的場所，容易形成突然涌水。

因此，在斷裂地帶選擇隧道位置時(shí)應(yīng)極為慎重，一般均應(yīng)避開斷層。當(dāng)不易避開時(shí)，隧道宜橫穿或采用較大的角度穿過斷裂帶，最好交角不小于30o。當(dāng)隧道在斷層旁平行斷層通過時(shí)，應(yīng)避開斷層破碎帶一定距離，并考慮斷層性質(zhì)及傾角的影響。

地下工程干燥無水時(shí)，有利于圍巖穩(wěn)定，因此在地下工程選址時(shí)，最好選擇地下水位以上的干燥巖體或地下水量不大、無高壓含水層的巖體內(nèi)，應(yīng)盡可能避開飽水的松散土層、富水的斷層破碎帶及巖溶化碳酸鹽巖層。10.5.4水文地質(zhì)條件的選擇

一般情況下，洞室軸向應(yīng)與最大主應(yīng)力方向垂直，以改善洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，但當(dāng)最大主應(yīng)力很大時(shí)，則洞軸向最好與之平行，以保證邊墻的穩(wěn)定。10.5.5地應(yīng)力方向的選擇

進(jìn)出口的邊坡應(yīng)選在山體雄厚、施工條件好的巖坡陡壁下，并避開地表徑流匯水區(qū)，同時(shí)注意進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定性，盡量將進(jìn)出口置于新鮮、完整、堅(jiān)硬的巖質(zhì)邊坡上，避免將進(jìn)出口邊坡布置在可能滑動巖體及斷層破碎巖體上。10.5.6進(jìn)出口位置的選擇§10.6地下采空區(qū)

地下礦層開采后形成的空間稱為采空區(qū)。按照當(dāng)前的開采現(xiàn)狀分為老采空區(qū)、現(xiàn)采空區(qū)和未來采空區(qū)。10.6.1采空區(qū)地表移動規(guī)律及特征1、上部巖層變形的垂直分帶冒落帶裂隙帶彎曲帶2、地表變形特征地表變形一般具有以下特征：

連續(xù)的地表變形：變形在空間和時(shí)間上是連續(xù)發(fā)生的形成凹陷盆地即移動盆地。不連續(xù)的地表變形：變形在空間和時(shí)間上都不連續(xù)，常出現(xiàn)塌陷坑、臺階以及不規(guī)則的大裂縫等。

不明顯的地表變形：地表變形不明顯，對地表建筑物不產(chǎn)生明顯影響。3、地表移動盆地的分區(qū)4、地表變形的分類兩種移動水平移動垂直移動三種變形傾斜彎曲水平變形10.6.2地表移動變形的計(jì)算1、對于緩傾斜（傾角小于25o）礦層地表移動和變形預(yù)測，可按表10-23計(jì)算。2、礦層傾角近于水平或緩傾斜且開采已達(dá)充分采動時(shí)，最大變形值可按表10-24計(jì)算。3、開采傾斜礦層達(dá)充分采動時(shí)，最大下沉按下式計(jì)算：4、開采礦層為非充分采動時(shí)，最大下沉按下式進(jìn)行計(jì)算采動系數(shù)巖性系數(shù)（0.7~0.9）采空區(qū)水平投影長度地表移動和變形預(yù)測計(jì)算公式表10-23地表最大變形經(jīng)驗(yàn)式表10-2410.6.3采空區(qū)的勘察與評價(jià)10.6.3.1.勘察內(nèi)容

采空區(qū)的勘察以搜集資料，調(diào)查訪問為主。當(dāng)工地質(zhì)調(diào)查不能查明采空區(qū)特征時(shí)，應(yīng)進(jìn)行物探和鉆探，必要時(shí)再輔以地表移動的觀測。通過搜集資料、調(diào)查訪問要查明的內(nèi)容有：礦層及上覆巖層特征；礦層開采的范圍、深度、厚度、時(shí)間、方法和頂板管理，采空區(qū)的塌落、密實(shí)程度、空隙和積水等；地形變形特征和分布；地表移動盆地的特征及分區(qū)，確定地表移動和變形的特征值；采空區(qū)附近的抽水和排水情況及其對采空區(qū)穩(wěn)定的影響；搜集建筑物變形和防治措施的經(jīng)驗(yàn)。地表移動觀測原則：觀測線宜平行和垂直礦層走向呈直線布置，其長度應(yīng)超過移動盆地的范圍；平行礦層走向的觀測線，應(yīng)有一條布置在最大下沉值的位置；垂直礦層走向的觀測線，一般不應(yīng)少于2條；觀測線上觀測點(diǎn)的間距，應(yīng)大致相等，并根據(jù)開采深度按表10~25確定；觀測周期可按地表變形速度由下式估算；在觀測地表變形的同時(shí)，應(yīng)觀測地表裂縫、陷坑、臺階的發(fā)展和建筑物的變形等情況。觀測點(diǎn)的間距取值觀測周期估算地表變形月下沉量（mm/s）水準(zhǔn)測量平均誤差（mm）2.采空區(qū)評價(jià)下列地段不宜作為建筑場地；在開采過程中可能出現(xiàn)非連續(xù)變形的地段；地表移動活躍的地段；特厚礦層和傾角大于55度的厚礦層露頭地段；由于地表移動和變形引起邊坡失穩(wěn)和山崖崩塌的地段；地表傾斜大于10mm/m，地表曲率大于0.6mm/㎡，或地表水平變形大于6mm/m的地段。下列地段作為建筑場地時(shí)，應(yīng)評價(jià)其適宜性；采空區(qū)采深采厚比小于30的地段；采深小，上覆巖層極堅(jiān)硬，并采用非正規(guī)開采方法的地段；地表傾斜為3～10mm/m，地表曲率為0.2~0.6mm/㎡或地表水平變形為2～6mm/m的地段．§10.7地下洞室的勘察要點(diǎn)

地下工程進(jìn)行巖土工程勘察的目的，是為了給建設(shè)方案的選擇、地下洞室的設(shè)計(jì)、施工提供可靠的基礎(chǔ)資料，因此整個勘察工作與設(shè)計(jì)工作是相適應(yīng)地分階段進(jìn)行的，各個勘察階段的要求如下：

可行性研究勘察的主要工作是搜集區(qū)域地質(zhì)資料，現(xiàn)場踏勘和調(diào)查，了解擬選方案的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和環(huán)境條件，做出可行性評價(jià)，選擇合適的洞址和洞口。10.7.1可行性研究勘察10.7.2初步勘察1、勘察內(nèi)容初步查明下列問題：地貌形態(tài)和成因類型；地層巖性、產(chǎn)狀、厚度、風(fēng)化程度；斷裂和主要裂隙的性質(zhì)、產(chǎn)狀、充填、膠結(jié)、貫通及組合關(guān)系；不良地質(zhì)作用的類型、規(guī)模和分布；地震地質(zhì)背景；地應(yīng)力的最大主應(yīng)力作用方向；地下水類型、埋藏條件、補(bǔ)給、排泄和動態(tài)變化；地下水體的分布及與地下水的關(guān)系，淤積物的特征；洞室穿越地面建筑物、地下構(gòu)筑物、管道等既有工程時(shí)的相互影響。2、勘察方法工程地質(zhì)測繪：比例尺一般是1:2000~1:1000，對工程地質(zhì)條件復(fù)雜和工程的重要地段部位，可選擇1:1000~1:500的大比例尺，重點(diǎn)地段的縱橫剖面比例尺可采用1:200~1:2000。物探：采用淺層地震剖面法或其他有效方法圈定隱伏斷裂、構(gòu)造破碎帶，查明基巖埋深，劃分風(fēng)化帶；必要時(shí)可進(jìn)行鉆孔彈性波或聲波測試、鉆孔地震CT或鉆孔電磁波CT測試，獲得彈性波速或聲波波速，提供巖體動力參數(shù)，用于劃分圍巖類別等。鉆探：針對工程地質(zhì)測繪的疑點(diǎn)和工程物探的異常點(diǎn)布置。宜沿洞室外側(cè)交叉布置，勘探點(diǎn)間距宜為100~200